财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > TOR:开启研究细胞生长代谢的大门 | “诺奖值得”系列

TOR:开启研究细胞生长代谢的大门 | “诺奖值得”系列

mTOR通路发现的过程中做出重要贡献的三位科学家(从左至右):迈克尔·霍尔、约瑟夫·黑特曼、斯图亚特·施赖伯

编者按

mTOR 是细胞感知与响应外界营养状况、调控细胞能量与物质代谢、关乎细胞生长存亡的重要信号通路,其调控异常与肿瘤、糖尿病、神经退行性疾病等密切相关。目前,许多靶向这一信号通路的药物已经显示出了显著疗效。

在mTOR通路发现的过程中,迈克尔·霍尔(Michael N. Hall)、约瑟夫·黑特曼(Joseph Heitman)和斯图亚特·施赖伯(Stuart L. Schreiber)做出了重要贡献。《知识分子》特别推出 “诺奖值得” 系列专栏,向读者介绍那些重要的科学发现及其背后的故事。

撰文 | 计永胜

责编 | 陈晓雪

在南太平洋东部,距离南美洲的智利共和国约3600 公里的海上漂浮着一座几乎与世隔绝的小岛,她以神秘的巨人头雕像闻名于世,人称复活节岛(Easter island),但当地原住民更习惯称之为拉帕努伊岛(Rapa Nui)。

图1 复活节岛 | 图源:pixabay.com

1964年底,加拿大麦吉尔大学(McGill University)教授斯坦利·斯科利纳(Stanley Skoryna)带领38位科学家随皇家海军舰队到复活节岛进行航海探险,同时采集一些生物样本。在这期间,斯克利纳团队收集了岛上的土壤样本,以期能分离出一些微生物,进而利用其代谢产物对抗真菌感染。十年后,科学家成功获得了一种强效抗真菌化合物。根据微生物获得的地点,科学家将其命名为雷帕霉素(Rapamycin)。

图2 雷帕霉素(Rapamycin)结构式 

雷帕霉素的抗真菌效果令人惊叹,它的副作用也很明显,其对免疫系统功能有抑制作用。当然,雷帕霉素的免疫抑制作用也并非一无是处。英国剑桥大学的罗伊·凯伦(Roy Calne)博士和美国匹兹堡大学的托马斯·斯塔泽(Thomas Starzl)博士,成功地将雷帕霉素和其他两种免疫抑制剂环孢素A(Cyclosporin A,主要用于肝、肾以及心脏移植的抗排异反应)和FK506(Tacrolimus,商品名:他克莫司,分离于链球菌属微生物,肝脏移植手术的首选免疫抑制剂之一)应用于器官移植领域,改进了肝脏移植的临床手术策略。2012年拉斯科临床医学奖授予以上两位先驱,以表彰他们在器官(主要是肝脏)移植领域做出的杰出贡献。

那么,雷帕霉素是如何起到免疫抑制作用的呢?它是如何影响细胞的生理生化过程的呢?

其秘密的揭开,可以从一个叫做迈克尔·霍尔(Michael N. Hall)的科学家讲起。

图3 迈克尔·霍尔(Michael N. Hall)现为巴塞尔大学教授。 
图源:https://www.biozentrum.unibas.ch/news/detail/lasker-award-for-michael-n-hall

霍尔1953年出生在波多黎各的圣胡安(San Juan),在南美洲(主要是秘鲁)度过了快乐的童年。

1976年,霍尔在北卡罗来纳大学获得科学学士学位,专业为动物学。在本科学习的最后一年,霍尔在马歇尔·埃德格尔(Marshall Edgell)实验室担任科研助理。埃德格尔主要从事DNA调控序列的鉴定和研究工作,曾带年轻的霍尔参加了一场在国立卫生研究院召开的学术会议,科学家在此商议如何制定重组DNA实验安全操作指南。这场会议,让霍尔对分子生物学深深着迷。

从北卡大学毕业后,霍尔来到哈德逊河畔的哈佛大学托马斯·希尔哈维(Thomas Silhavy)实验室攻读博士学位。彼时,希尔哈维实验室的研究重点是大肠杆菌的蛋白分泌机制。但霍尔觉得做这个研究方向的人太多太拥挤了,便把研究精力放在大肠杆菌的外膜蛋白(Outer membrane proteins, Omps)的合成和调控机制上。他发现OmpR和EnvZ蛋白共同组成一个信号系统来调控外膜孔蛋白OmpF和OmpC的合成。这是大肠杆菌,也是生物学上第一个双组份调控系统。这种 “不走寻常路” 的做法是霍尔的一贯风格。

图4 EnvZ/OmpR双组分调控系统 | 图源[1]

1981年获得博士学位后,霍尔到巴斯德研究所进行了一轮短暂的博士后研究,后到加州大学旧金山分校埃尔·赫斯克维茨(Ira Herskowitz)实验室继续博士后训练。

和读博期间相似,霍尔没有跟进赫斯克维茨实验室的主要研究方向(酵母如何响应外激素信号),而是选择研究核蛋白在细胞浆合成后如何重新回到细胞核中发挥功能。当时科学界普遍认为蛋白入核主要依靠梯度扩散:细胞浆合成的蛋白浓度高,自然向细胞核扩散,如果遇到 “合适的结合物”,蛋白就留在核中,不然就重新扩散回细胞浆。但霍尔通过一系列实验,证明了这些细胞核蛋白其实存在一段确定是否入核的信号序列,也就是核定位序列(Nuclear localization signal)。这项颠覆传统认知的发现于1984年发表于《细胞》(Cell 杂志。

1987年,霍尔终于学成出山,踌躇满志地到瑞士的巴塞尔大学组建实验室,独立开展研究工作。他本想继续寻找识别核定位序列的受体蛋白。但是研究充满了失败,这让他非常沮丧。

这时,实验室来了一位年轻人,给霍尔的研究带来了新的曙光。

约瑟夫·黑特曼(Joseph Heitman),1984年参加了康奈尔大学和洛克菲勒大学联合医学科学家医学博士/哲学博士(Physician-scientist MD-PhD training program)培训项目,期望自己能成为一名优秀的医学科学家为人类健康服务。1989年完成项目培训后,黑特曼总感觉在职业生涯中还缺点什么:临床技能良好,科研经历不足。于是,他就到巴塞尔大学霍尔实验室从事博士后研究。

图5 约瑟夫·黑特曼现为杜克大学医学院的分子遗传学和微生物学系的教授。
图源:https://gradschool.duke.edu/about/news/joseph-heitman-2018-dean-s-award-winner

黑特曼的到来 “拓展” 了霍尔实验室的研究范围:从研究蛋白入核机制这种细胞内现象转移到细胞是如何感知胞外刺激信号并将其传递到细胞内的。起步研究依然举步维艰,选择好的化合物和理想的实验模型至关重要。

霍尔实验室一直用酵母做实验材料,模型算是有了。化合物怎么找呢?

黑特曼的临床经验派上了用场:他从一篇发表于《自然》的文章得知,环孢素A可以应用于真菌的研究。而环孢素A是一种在临床用于降低器官移植排斥反应的免疫抑制剂。黑特曼兴冲冲的回到实验室,告诉霍尔可以研究环孢素对酵母的刺激作用,以此揭示其免疫抑制的机理。

理想很丰满,现实却… …结果显示,环孢素A和另外一种免疫抑制剂FK506的确可以抑制细胞分裂,但效果相当温和,并非立竿见影。研究眼看又要陷入停滞。

霍尔小组果断选择就地取材。他们找到了位于巴塞尔的制药公司 Sandoz(现在的诺华)寻求合作。Sandoz公司的饶·默瓦(Rao Movva)正好也在寻找团队鉴定公司开发中的免疫抑制剂雷帕霉素的作用机制。

就这样磕磕绊绊,对的人和对的化合物终于碰面了。

黑特曼通过实验发现,雷帕霉素能将酵母的细胞周期 “禁锢” 在G1期。并且,雷帕霉素与FK506存在竞争,两者都能与FK506结合蛋白(FK506 Binding Protein,FKBP)结合。缺失编码FKBP蛋白基因FPR1的酵母对雷帕霉素有明显的抗性。

通过进一步的遗传突变筛选实验,黑特曼鉴定出了雷帕霉素(确切讲是雷帕霉素- FKBP复合物)的作用底物,并将其命名为 “雷帕霉素靶点”(Target of Rapamycin),也就是TOR。论文在1991年8月23日发表于《科学》杂志 [2],作者只有三位:约瑟夫·黑特曼、饶·默瓦和迈克尔·霍尔。

图6 1990年12月2日,黑特曼实验记录本上关于TOR命名的选择 | 图源[3]

对于霍尔来说,TOR这个命名朗朗上口,而且容易被记住。黑特曼将其命名为TOR则是寄予更多希望:TOR在德语中是 “门” 的意思,同时,巴塞尔城位于莱茵河湾与德法两国交界处,连接法国、德国和瑞士,是瑞士重要的门户城市。霍尔团队希望TOR是细胞周期运转的起始点,开启之门。

非常巧合的是,同在1991年8月23日,哈佛大学化学系斯图亚特·施赖伯(Stuart L. Schreiber)团队在《细胞》杂志发文章报道了cyclophilin-CsA和FKBP-FK506的共同靶标钙调磷酸酶(Calcineurin)[4]。

确切地讲,施赖伯研究生物学属于 “半路出家”。

图7 斯图亚特·施赖伯(Stuart L. Schreiber)现为哈佛大学化学与化学生物学系教授。
图源:https://www.broadinstitute.org/bios/stuart-l-schreiber

他在1977年从弗吉尼亚大学获得学士学位,主修化学。而后到哈佛大学现代有机合成之父罗伯特·伯恩斯·伍德沃德(Robert Burns Woodward,1965年诺贝尔化学奖获得者)和岸义人(Yoshito Kishi)实验室攻读博士。1981年完成博士答辩后,施赖伯在耶鲁大学谋到一个助理教授职位。在聆听了生物物理学家阿龙·克卢格(Aaron Klug,1982年诺贝尔化学奖获得者)和神经生物学家埃里克·坎德尔(Eric Kandel,2000年诺贝尔生理学或医学奖获得者)的报告后,施赖伯决定涉足生物领域。他的生物学研究起始与TOR并不相关,而是来自一种令人讨厌的动物——蟑螂,学名蜚蠊。

施赖伯实验室的第一个研究生康拉德·桑蒂尼(Conrad Santini)合成了一种叫做蜚蠊酮-B(Periplanone-B)的昆虫性激素,雌性蟑螂对蜚蠊酮-B的反应给施赖伯留下了深刻的印象。此后的近四十年来,施赖伯将研究集中在小分子化合物引起的生物学反应方面,重点是以小分子化合物做探针揭示信号转导和基因调控过程的化学本质。

回到雷帕霉素和TOR。如前所述,雷帕霉素是从复活节岛上的微生物中分离到的,施赖伯团队发挥专业优势,通过有机反应合成了FK506。这也就不难理解施赖伯团队首先找到了FKBP-FK506的靶标。在霍尔团队于真核生物酵母中发现TOR三年后,施赖伯团队在哺乳动物细胞也鉴定出了雷帕霉素的靶标 [5],即mTOR。与酵母中的现象类似,mTOR的突变也可以赋予哺乳动物细胞对雷帕霉素的抗性。

图8

到此时,科研人员还以为TOR只是调控细胞周期的一个蛋白分子。1993年底,霍尔带着自己的新发现到维也纳分子病理研究所作报告。细胞周期/分裂研究领域的顶级专家金·内史密斯(Kim Nasmyth,2018年生命科学突破奖获得者之一)及其团队就在台下静坐聆听。经过会后讨论,霍尔越发觉得TOR并不是细胞周期的调控分子,而极有可能是生物大分子合成代谢的调控分子。也就是说,TOR调控的是细胞如何生长变大(Growth),而不是如何分裂增多(Division)。

霍尔团队随后仍以酵母为模型研究TOR的作用机制,发现了TOR1和TOR2两条独立的信号通路。而包括斯图亚特·施赖伯和大卫·萨巴提尼(David Sabatini)课题组在内的其他团队则进一步揭示了mTOR的作用机制。

现在已经证明,mTOR是将细胞的三大刺激(氨基酸、胰岛素和能量状态)的胞内信号整合在一起,调整细胞生长代谢过程。mTORC1和mTORC2两个复合物是mTOR信号的核心,有丝氨酸/苏氨酸酶活性,能通过将下游蛋白磷酸化的形式调控细胞信号通路。mTORC1主要调节细胞内的蛋白合成过程,同时对自噬、线粒体代谢等也有影响;mTORC2主要调节细胞命运(存活还是死亡)和细胞骨架(与细胞运动相关)。黑特曼最先发现雷帕霉素将酵母 “限制” 在G1期,其实是雷帕霉素与TOR1结合后的 “副作用”。

图9 mTOR信号 | 图源[6]

mTOR信号通路与人体健康密切相关。研究表明,在癌症(如乳腺癌、前列腺癌等)、神经退行性疾病(如阿尔兹海默症等)和II型糖尿病等疾病的发生发展过程中均存在mTOR信号通路失调。多种以mTOR为靶点的药物已经成功应用于临床,并收到良好的治疗效果。

例如诺华公司(Novartis)研发的mTOR抑制剂依维莫司于2009年3月30日通过FDA 审批,用于晚期肾癌患者的治疗;2010年10月,该药又被批准用于伴有结节性硬化症(TS)的室管膜下巨细胞星形细胞瘤(SEGA)患者。

当年,黑特曼给雷帕霉素靶点命名为TOR,期望它是细胞感受外界信号的大门。现在看来,TOR作为大门可能不合适,但已经是调控细胞生长代谢的核心分子。

 

致  谢

感谢北京大学前沿交叉学科研究院罗佗平老师对文章的修改建议。

 

参考文献:

[1] Forst SA, Roberts DL. Signal transduction by the EnvZ-OmpR phosphotransfer system in bacteria. Res Microbiol. 1994 Jun-Aug;145(5-6):363-73. doi: 10.1016/0923-2508(94)90083-3. PMID: 7855421.

[2] Heitman J, Movva NR, Hall MN. Targets for cell cycle arrest by the immunosuppressant rapamycin in yeast. Science. 1991 Aug 23;253(5022):905-9. doi: 10.1126/science.1715094. PMID: 1715094.

[3] Hall MN. An Amazing Turn of Events. Cell. 2017 Sep 21;171(1):18-22. doi: 10.1016/j.cell.2017.08.021. Epub 2017 Sep 6. PMID: 28888325.

[4] Liu J, Farmer JD Jr, Lane WS, Friedman J, Weissman I, Schreiber SL. Calcineurin is a common target of cyclophilin-cyclosporin A and FKBP-FK506 complexes. Cell. 1991 Aug 23;66(4):807-15. doi: 10.1016/0092-8674(91)90124-h. PMID: 1715244.

[5] Brown EJ, Albers MW, Shin TB, Ichikawa K, Keith CT, Lane WS, Schreiber SL. A mammalian protein targeted by G1-arresting rapamycin-receptor complex. Nature. 1994 Jun 30;369(6483):756-8. doi: 10.1038/369756a0. PMID: 8008069

[6] Soulard A, Hall MN. SnapShot: mTOR signaling. Cell. 2007 Apr 20;129(2):434. doi: 10.1016/j.cell.2007.04.010. PMID: 17449000.

制版编辑 | 卢卡斯
 



推荐 0